某大渡河特大橋防雷設計與分析

曾凡

摘要：通過對xx大渡河特大橋環境與防雷系統的設計，全面地介紹大型的跨河拉索橋環境與雷電感應防護的工程設計。在分析設計的過程中，以現場的報告作為切入，分析了xx大渡河特大橋的環境與雷電防護結構的特點，從直擊雷防護、接地及等電位置的連接、雷電感應的防護這幾方面的角度出發，探究具體的雷電感應防護的設計方案，提出合理的建議，以期最大程度地減少建成大橋后的雷電災害風險。

關鍵詞：大渡河特大橋;防雷工程;直擊雷;雷電感應

前言：

隨著我國經濟發展，建設基礎設施已經邁入高速發展階段，橋梁作為跨越峽谷、江河，解決城市交通問題的重要設施，其數量與規模也逐漸增加。但是，對于部分大型跨江、跨海橋梁而言，由于跨度大、主塔高，且多數位于沿江空曠地，受到地形影響，極易造成雷擊破壞，雷擊強度與發生雷擊情況相較于周圍地區概率更高，需做好防雷設計工作。

一、設計依據

IEC 61312《雷電電磁脈沖的防護》

DB50/T279-2008《橋梁工程防雷技術規范》

GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》

GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》

IEC 62305-2006《雷電防護》

GB50169—92《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》

二、現場報告

xx大渡河特大橋為拉索橋，在大渡河的南、北兩岸各分別修筑了離地面高度為180米高的承重索塔，是附近最高的建筑物，直擊雷的機率較大，故大橋防雷工程設計上以防直擊雷為重中之重。

主拉索的兩端錨碇是通過兩側錨碇與主纜索進行固定的，主纜索在其中的拉力通過兩側錨碇直接傳入錨碇基礎。xx大渡河特大橋A岸錨碇的防護是將主纜掩埋在陡峭的地平線下，可以不用擔心直接考慮對錨碇的直擊雷進行防護;而特大橋B岸的錨碇離索塔地面的高度為19米，錨碇兩端距離索塔的直擊雷距離大約為253米，超出了避雷針滾球半徑的直擊雷保護范圍，考慮到特大橋錨碇與主纜的重要關系，因此，對特大橋錨碇的兩側直擊雷的防護也是必不可少的。

根據圖紙可知，索塔基礎工程A岸最深為60米，B岸為70米。索塔為單梁雙塔或單門式，橋梁的頂面主體結構全部采用了雙層鋼筋混凝土的整體焊接結構方式將塔門的兩個索塔連接在一起。根據我國GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》第4.2.1第一類中的沖擊放電防雷接地措施以及建筑物的各種防直擊雷接地措施第二款中稱的有關事項規定，獨立的防雷接地電閃桿、架空防雷接閃線或獨立的非架空防雷接閃網等接地裝置上均應設獨立的一個沖擊防雷接地裝置，每一個在引腳上下線的應設沖擊防雷接地裝置電阻范圍不宜長度大于10Ω";以及DB50/t279-2008《橋梁工程防雷技術規范》"4.2.13接地裝置的應設沖擊防雷接地裝置電阻范圍不得長度大于10Ω"。

主纜拉索采用了高強度鍍鋅的鋼絲拉索組成，整個拉索由成千根直徑ф5左右的高強度鍍鋅鋼絲分組與拉索結合而成，整個拉索的直徑約60cm，拉索表面有一層纏繞鋼絲并涂有防腐層。橫跨橋面行車采用橫跨鋼箱梁框架結構的行車方式，雙向四車道，設計行車時速為80公里，整個橫跨橋面的鋼箱梁在傳感器的安裝工作完畢后采用焊接的方式將獨立的橫跨鋼箱梁框架連接成一個整體。由于整個橫跨橋梁內部配備了眾多的傳感器和電氣設備，橋梁兩側的鞍罩內部分別安裝有雷電除濕機、鞍罩頂上安裝有航空障礙燈、橋上還設有雷電照明防護設施等。這些傳感器設備在遭受到雷擊時可能會因為對雷電的感應而對自身造成的損壞，所以除了需要做好橫跨大橋的直擊雷防護的措施，同時也要做好應對橫跨大橋上的其他設施進行對雷電感應的直擊雷防護。

三、設計方案

1.直擊雷防護

1.1 A、B岸主塔直擊雷防護

塔柱為鋼筋砼空心箱型截面，兩岸塔柱同高，均為180.352m;頂面標高均為1739.583m，尺寸為8.60m（縱向）×5.80m（橫向）;標高1638.583m以上（第三道橫梁底面）塔柱等截面，以下雙向變寬，塔柱底面標高為1547.651m，尺寸為12.20m（縱向）×7.80m（橫向）;第二道橫梁以上塔柱壁厚0.80m，第二道與第三道橫梁之間塔柱壁厚0.90m，第四道橫梁以下塔柱壁厚1.00m;整個塔柱四角切去0.40m×0.40m的矩形。

對于橋梁拉索橋而言，拉索橋的特殊連接位置往往可能會直接造成索塔易感地遭受較大直擊性的雷擊，根據國標db50/t279-2008《橋梁工程防雷技術規范》，為了有效地保護使索塔免遭較大的直接雷擊和爆炸破壞，應在索塔橫梁的連接處頂部安裝明式的圓形避雷網（或鋼帶），且明式避雷絲與網格的連接尺寸一般不不得大于6m×4m。

在索塔頂部邊緣的兩側地方均應安裝尖端提前放電的避雷針，避雷針有效的保護索塔以及上面的航空跑道以及障礙燈等航空設備.。由于索塔高度為180.352米，已經很少有超過二類建筑物采用滾球計算半徑45米的避雷針高度，不能直接采用滾球計算半徑的避雷針方法來重新計算索塔對避雷針的保護高度。鞍罩頂部為純金屬外殼，與索塔柱頂部的鋼筋可靠緊密連接，根據尖端提前放電的避雷針原理，應在索塔鞍罩頂部邊緣安裝滾球避雷針。由于索塔頂部邊緣是一個需要避雷針保護的一個平面，在這里將索塔頂部以及索塔鞍罩等的局部兩側地方通過采用了滾球計算法的的避雷針計算半徑方式來重新考慮是否進行避雷針保護，計算公式：

公式中：r0=11.5、hr=45、h×=1.5，通過這樣的計算可知道避雷針接閃器的高度為5米。該系列避雷針的接閃采用了xx-awbo-ts的型號。每個避雷針內部分別配備了一整套的脈沖發生器，該系列的脈沖發生器能同時產生一個比普通的避雷針更快的電流作為上行先導，此上行先導向上快速傳播一直到與下行的先導直接會合。此時，閃電的電流便會快速流過所形成的閃電通道。此時地面上的其他建筑物可能會同時生成好幾個地點作為上行的先導，與下行的先導直接會合的第一個地點是上行的先導位置就決定了發生閃電電擊的時間和地點，根據避雷針規范的要求，避雷針必須安裝在被閃電保護物的邊沿處，因此，需要在避雷針鞍罩的邊緣和外沿角各分別安裝一根避雷針，共在外沿角安裝8根。

避雷針索塔支撐桿平臺底座內部采用了優質高強度的優質不銹鋼管，避雷針索托支撐桿索塔底座的外部法蘭盤與內部避雷針索塔鞍罩之間分別采用了無縫焊接的處理方式對其內部進行了無縫連接，焊接處理工作進行完畢后對所有的連接焊點都進行做了一層防腐防蝕處理。用40×4的鋼筋扁鋼將保護避雷針鞍罩與索塔上的保護避雷網相互連接，同時將索塔橫梁上的保護避雷網、避雷針與索塔內部的專門鋼筋用于保護避雷針相互接地的索塔主筋和鋼筋之間可以做多點等壓和電位的相互連接。

1.2、主塔頂部障礙警示燈安裝

索塔高度大約有180.352米，因此必須在索塔頂部的鞍罩上安裝一個航空障礙警示燈。由于索塔主纜中心距離的鞍罩寬度為29米，鞍罩的頂部尺寸大約為5×6米，因此，需要在鞍罩頂上安裝一個高光墻的航空障礙警示燈。在高光墻鞍罩的四個角上需要安裝中光墻的航空障礙警示燈，由于鞍罩頂部有四個角的鞍罩，高光墻的航空障礙警示燈的總鞍罩數量為4個，中光墻的航空障礙警示燈的總鞍罩數量大約為16個。高光墻的航空障礙警示燈的底座采用2m高的三角形支撐桿，支撐桿的鋼材采用了高強度的不銹鋼;鞍罩底座的法蘭盤與鞍罩用焊接的施工方式對鞍罩進行了施工。由于室內航空跑道上的障礙警示燈在塔頂上工作時需要在室外用電，這樣就涉及連接到塔頂上供電的線路，因此在塔頂上敷設供電線路時，采用焊接穿鋼管的鞍罩屏蔽方式對供電線路的鞍罩進行屏蔽，鋼管與塔頂上的鞍罩多點進行無縫焊接。由于考慮到室內雷電感應對塔頂上的航空障礙警示燈的外殼造成損壞，因此，每個塔頂上的航空障礙警示燈都需要在塔頂上加裝一臺xxxx220-20pn型的防雷箱對塔頂上的航空跑道障礙警示燈外殼進行了保護。防雷箱將塔頂上的各種金屬物與室內避雷帶進行可靠的無縫焊接，并且外殼應同時處于接閃器的雷電感應保護作用范圍內。為了有效防止室外的雷電流通過室內航空跑道上的障礙燈外殼進入室內，航空障礙燈的金屬配管外殼可不和塔頂上通往室內的pen型無線接閃器相連;為了有效防止室外電源的相線碰殼造成室內航空障礙燈的外殼長期無法帶電，可以把金屬配管外殼和室內避雷帶的外殼相連，航空障礙燈的金屬配管外殼應與室內避雷帶的外殼相連，且通過金屬配管的電流進入避雷人室內后外殼應及時斷開，避免把室內的雷電感應引流入室內。

1.3、B側錨碇直擊雷防護方案

B側的錨碇離主塔的距離為253米，超出主塔的保護范圍，考慮到錨碇與主纜的重要關系，需要對B側的錨碇做防直擊雷的措施，根據規范可知，采用避雷針對錨碇進行防護。避雷針底座與錨碇頂部鋼板采用焊接的方式進行可靠連接，根據避雷針高度公式計算可知避雷針的高度為10米，在B側的兩個錨碇頂端分別安裝一根該避雷針，共計2根。

1.4主纜的防護

主纜拉索采用高強度的鋼絲拉索組成，整個拉索的直徑約60cm，拉索表面緊密纏繞有防腐層。索甲、主纜采用在纜套、鞍罩上焊接壓接螺釘的方法使連接片可靠進行焊接;用鋼絲編織的銅帶將焊接后的索甲、主纜與纜套、鞍罩緊密連通，保證其電氣連接通路;塔頂主纜接地引出的電線與纜套鞍罩可靠緊密焊接。

2.接地及等電位連接

大橋的電氣接地與防雷大橋電氣接地一般采用共用的接地裝置，利用橋臺樁、墩柱、承臺及橋面鋼筋等構件自然形成的接地體作為電氣接地裝置、接地電阻一般要求≤4ω。主橋、引橋互相連接、橋臺、裝置全部互相連接即可連通。

2.1、人工接地網的設置

通過橋梁的設計圖紙資料可知：索塔基礎a岸最深為52米，b岸為60米。索塔為雙塔門式，橋梁的頂面結構采用鋼筋混凝土的方式將塔門的兩個索塔連接在一起。根據gb50057-2010《建筑物防雷設計規范》第4.3第二類的防雷措施建筑物的外部防雷措施第二款中"4.3.6共用接地裝置的接地電阻應按50hz電氣裝置的接地電阻確定，以不大于其按人身安全所確定的接地電阻值為準。在土壤電阻率小于或等于3000ωm的條件下，外部防雷裝置的接地體當符合下列規定之一以及環形接地體所包圍面積的等效圓半徑等于或大于所規定的值時可不計及沖擊接地電阻;但當每根專設引下線的沖擊接地電阻不大于10ω時，可不按本條1、2款敷設接地體。"

由于長江大橋錨碇兩岸的塔基和大橋錨碇基礎部份的土壤主要由卵石和礫石以及半成巖等主要成份土壤組成，加之兩岸距離河床水位的落差較大，土壤對土質的導電和硬化性能都比較差，所以主塔及大橋錨碇基礎的接地和電阻不能完全滿足要求，需要直接采用大橋新增的人工地網與大橋基礎地網進行連接，以滿足基礎地網的要求。由于新增的人工地網需要直接采用長江大橋傳統的水平接地安裝方式和直接打孔或深井式的接地相結合的接地方法，即新建人工地網，在長江大橋的各部分橋基和錨碇礎的四周新建人工地網。長江大橋地網的垂直水平高效離子接地體主要采用40*4mm的優質鍍鋅扁鋼，地網的垂直水平接地體主要采用高效離子接地棒，安裝的方式為直接打深井式的安裝，把離子接地棒在打孔后放入一個深井內，打孔的基底孔徑為110mm，打孔的基底深度一般為30米;高效離子降阻劑接地棒放入直接打孔的基底后，在一個深井內填充高效離子降阻劑，將填充稀釋后的高效降阻劑直接注入一個裝有離子接地棒的孔內。

根據圖紙可知，需要在大橋的兩個橋塔的基礎外圍新增設2個人工地網，B側錨碇基礎處新增設1個人工地網，A錨碇的隧道口處新增設1個人工地網。

2.2、主塔側擊雷防護措施

根據標準GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》第4.3.9條高度不得超過45米的大型高層結構建筑物，除了建筑屋頂的外部保護結構和其他防雷保護裝置及其設計要求應當必須完全符合本建筑設計規范第4.3.1條的其他有關設計規定外，尚應完全并應當符合下列的有關規定：

高于60m的高層建筑物，其上部占高度20%并下部超過60m的部位應防側擊。

主塔側擊雷防護措施：

（1）從塔頂至上而下在大橋的塔柱內每間隔10米做一個均壓環，以防側擊雷，均壓環的塔柱內的主筋形成可靠連接，并利用主筋連接避雷針引下至地網。

（2）所有接地鋼筋除接地引出線使用?16的圓鋼外，其余均利用不小于?16的結構鋼筋。接地引出線長度不小于1米。塔頂接地引出線與避雷針底座可靠焊接，型材良好的電氣通路。

2.3、塔頂設備等電位連接

塔頂有鞍罩及錨碇等地方設有除濕機等設備，考慮到設備的安全運行，需要對電氣設備進行可靠的接地處理，接地線采用16mm2的黃綠線。將設備的外殼與防雷地進行可靠連接。在橋面的兩端做接地處理，接地采用40×4的鍍鋅扁鋼進行連接;伸縮縫附近的金屬物需要做好等電位跨接處理，伸縮縫附近的等電位連接導體采用25mm2的編織銅帶進行連接。

3.雷電感應的防護

根據IEC 61312《雷電電磁脈沖的防護》、GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》、JGJj/T 16-92《民用建筑電氣設計規范》及GBJ 64-83《工業與民用電力裝置的過電壓保護設計規范》中關于防雷及過電壓的規范以及有關的防雷及過電壓分區的劃分和各級電源保護系統對于雷電及過電壓的保護設計要求，針對現場勘測設計報告中關于配電系統的相關描述，將其防雷區劃分為三個主要防雷區分別進行加以設計和考慮。

3.1電源一級防護

由于線路上的高壓電采用了架空線的傳輸方式直接進入，在線路上極易對高壓電產生強烈的雷電感應和直擊雷引起的雷電侵入。因此是否需要在電源變壓器的低壓電源輸出端安裝浪流電涌保護器是非常重要的一個技術環節，根據GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》"5.4.1電源線路防雷與接地應符合下列規定"表5.4.1-2電源線路浪涌電流保護器的標稱放電浪涌電流的參數值由如下可知：

在變壓器的低壓輸出側需要安裝的是一臺帶有沖擊放電泄漏電流iimp≥15ka的一級電源防雷器。同時考慮到實際安裝的情況，選用一臺由四川百石科技有限公司自主研發生產的xxxx380-50w型一級電源防雷器，該系列產品的安裝方便，具體的參數為：沖擊放電泄漏電流（10/350μs）：15ka/線;限制電壓：≤2500v;泄漏電流：<10ua;沖擊響應電流持續時間：≤25ns;采用模塊式并聯電路安裝，具有良好的工作控制和狀態指示功能。

該產品在安裝時要求電源防雷器相線的連接導線采用不小于16mm2多股銅線，接地連接線采用不小于25mm2雙色多股絕緣銅線。

3.2電源二級防護

電源傳輸線路上的第一級電源防雷器傳輸線路可以對于直接發生感應雷擊電流的能量進行泄放，或者是當直接通過電源傳輸的線路有可能遭受直接的雷擊時對其所傳導的巨大雷擊能量傳輸線路進行泄放對于那些有可能感應雷擊發生直接的雷擊電流可能的地方，必須同時需要對防雷器進行class-i的防雷。第二級的防雷器主要是針對于前級電源防雷器的內部殘余雷擊電壓以及區內發生感應雷擊的能量進行防護設備，對于前級防雷器發生較大的雷擊電流進行能量的吸收時，會仍然有一部分對防護設備或第三級的防雷器而言，仍然有一部分是相當巨大的雷擊能量從電源傳導了過來，需要第二級的防雷器進一步的吸收。同時，經過了第一級防雷器的電源傳輸線路也有可能會發生感應雷擊電磁脈沖的輻射lemp，當電源傳輸線路距離足夠長時（通常超過15米）經過雷電脈沖感應的雷擊能量就會自然地變的非常足夠大，需要第二級的防雷器進一步對感應雷擊的能量進行實施了泄放。第二級的防雷器可直接安裝在次級配電箱內，采用中國四川百石科技有限公司自主生產的xxxx380-60pn型防雷器。該防雷器主要具有以下的特點：標稱通流容量（8/20μs）：30/60ka/s無線;泄漏溫度限制電流響應工作電壓：≤2000v;電源泄漏溫度限制響應電流：<10ua;電源泄漏溫度限制電流響應工作電流狀態持續時間：≤25ns;箱式并聯電源安裝，具有極為人性化的電源工作電流狀態自動指示設置功能，無需擔心產生工作續流和電源插入損耗。

二級電源的防雷器在二級電源安裝時如有不便，可以直接并到三級電源的防護端，做成b+c型二級電源的電涌保護器進行電涌防護。二級電源防雷器的相線的連接導線一般采用不小于10mm2多股絕緣銅線，接地的連接線一般采用不小于16mm2雙色多股絕緣銅地的連接導線。

3.3電源三級防護

經過了第二級電磁脈沖防雷器的傳輸線路也一定會產生感應第二級防雷擊電磁脈沖的輻射能量lemp，當傳輸線路足夠長時感應第二級防雷的電磁脈沖能量就一定會變的足夠大，第三級的防雷器主要是對于lemp和通過第二級電磁脈沖防雷器的傳輸線路殘余雷擊電磁脈沖能量都進行了保護。第三級的防雷器主要能夠將設備在線路上的過電壓承受限制范圍減小到<1.5kv，保證了線路上的過電壓在增加了設備的工作耐受線路過電壓的程度和承受限制范圍之內。第三級的防雷器主要是用于保護橋梁上的電氣設備，保證了電氣設備的工作不會因為增加了線路上的過電壓而停止引起的損壞。針對于南溪長江大橋而言，整個南溪橋梁上的空氣除濕機、照明等各種用電設備的傳輸線路前端都應該同時安裝第三級的防雷器，確保了設備的工作不會因為線路上的過電壓而自動停止正常工作，保證了橋梁的正常工作使用。而建設用電設備在線路上采用的如果是三相交流電，則可以選用xxxx380-20pn型第二級防雷器，設備在線路上使用的如果是單相電，則可以選用xxxx220-20pn型第三級防雷器。

第三級電流防雷器的主要技術特點功能分別為：箱式標稱限制通流泄漏容量（8/20μs）：20/40ka/4直線;標稱限制通流電壓：≤1500v電流泄漏響應工作時間電流：<10ua;自動響應工作電流泄漏持續時間：≤25ns;箱式并聯自動安裝，具有泄漏工作時間電流泄漏狀態自動指示裝置功能。

第三級無線網絡電源線路防雷器在日常使用和維護安裝時對各相線的供電連接線路導線均應采用不超過小于6mm2多股柔性絕緣彩色銅線，接地的供電連接線路應采用不超過小于10mm2雙色多股柔性絕緣彩色銅線。

總結：綜上所述，xx大渡江特大橋設計難度大，施工難度高，在防雷設計中吸收國內外諸多防雷設計經驗，利用橋梁鋼筋結構，與各種措施相配合，且同時考慮特大橋特點，在避雷針中選擇不銹鋼等具有較強仿佛能力材料，且適當將截面積增加。并且，對大橋移動部分進行處理，通過做好大橋防雷措施，以提高社會和經濟效益。

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